张起宏

中航光电科技股份有限公司

摘要：近几年，智能制造，“黑灯”工厂成为制造行业非常流行的词汇，到底什么是智能制造，如何实现智能制造，从普通的机加车间变成智能工厂中间要经历哪些阶段及改变？智能工厂还有哪些关键、核心技术要突破？本文以机加行业为例，探讨智能车间建设时应遵循什么样的基本原则。

关键词：智能制造  黑灯工厂  自动化

1  序言

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基，推进制造业做大做强是我国实现工业转型升级的必由之路。《中国制造2025》明确指出我国制造业发展的战略是“坚持走中国特色新型工业化道路，以创新发展为主题，以促进制造业提高质量、增加效益为中心，以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向”。对于企业而言，智能制造如何实现，企业情况不同，发展路径也不尽相同。以作者所在的机械加工行业为例，我认为本文提出的“从信息化辅助生产到智能制造”是一条很务实的发展路径。

2  什么是智能制造

什么是智能制造？目前，国内外对智能制造还没有标准的定义，作者基于自己的理解，对智能制造进行如下描述：智能制造是在数字化车间的基础上，利用物联网技术和监控技术加强信息管理服务，提高生产过程可控性，减少人为干预，合理计划排程。集智能手段与智能系统等新兴技术为一体，构建的高效、节能、绿色环保且舒适的人性化工厂。从上述定义中可以看出，数字化车间是智能制造的第一步，也是重要基础。《中国制造2025》明确指出：“推进制造过程智能化，在重点领域试点建设数字化车间/黑灯工厂/智能工厂。”数字化车间建设是实现智能制造的重要一环，是企业实现智能制造的主战场。

很多人认为，大量采购、引入数字自动化设备是建设数字化车间的前提，这是一个很大的误解，数字化设备与数字化车间之间没有必然联系，即便工厂全部采用数字化设备，如果没有实现设备间的互联互通，没有实现生产过程的数字化管理，数据没有实现真正的有序流动，也不能称之为数字化车间。现在，作者在一些工厂经常可以看到，一些老式设备，经过信息化改造，设备接入信息化系统，生产过程实现数字化、智能化，对生产计划，物流信息等数据进行信息化管理，数据能够根据生产需要进行有序流动，这也算数字化车间。

图1 数字化车间模型

3  如何实现智能制造，智能制造“三步走”战略 

前面讲了什么是智能制造，那么如何实现智能制造？特别是在中国目前的国情下，各个企业所处的行业不同，企业情况不同，实现智能制造的路径也不相同。智能制造不是企业的目的，企业的真正目的是通过智能制造实现降本、提质、增效，提升企业竞争力。智能制造也要为这个目的服务，从整体上服务于企业经营战略。企业要根据自身实际情况，基于企业经营战略进行智能制造的设计。要对企业所处的行业、企业规模、产品特点、行业地位、发展趋势以及企业自身基础、存在的问题、实施目标等进行深入的分析并综合考虑，这些因素决定了企业实施智能制造的方法和路径。

对于如何实现智能制造，以作者所在的机械加工行业为例，结合目前公司的实际情况及近些年的探索，我们制定了信息化辅助生产、自动化加工单元、智能生产车间“三步走”的战略，集中推进了加工、管控以及物流等方式的变革，攻克了系列技术难题，稳步推进我们自己的智能制造。

首先，介绍一下作者所在车间的情况，我们车间承担公司大部分壳体零件加工，属于典型机械加工车间，车间发展经历大体为：刚开始全部都是普通机床，人工操作，逐步实现机床数控化，目前车间生产基本实现数控化，并实现机床联网管理。生产管理上采用ERP系统与MES系统连接，生产技术文件采用PDM系统管理，生产数据开始实现流动，生产模式基本实现 “无纸化”，可以说为智能制造及数字化车间打下良好基础。

那么，车间目前情况能够称得上是数字化车间吗？可以很肯定的说：不是！我认为存在的主要问题：其一，生产没能实现自动化，人工干预太多，目前很多工序甚至离不开人工参与。原因有工艺技术方面的，也有生产管理方面的。其二，生产计划，物流信息等数据虽然进行了信息化管理，但相关数据与生产现场数据不匹配，难以做到精细化管理，做不到数据根据生产实际进行有序流动，相关数据经常变动，目前数据只是最终的统计结果，不能用于指导生产，作为排产、评估产能的依据。

前面介绍的就是车间目前的现状，虽然还不能称为数字化车间，但不代表我们实现智能制造的路径、方向有误。我认为，首先实现机床数控化是实现智能制造的前提，普通机床去实现智能制造难度更大。其次，目前车间采用的ERP、PDM与MES等管理系统，从不同方面提高车间的生产管理效率，我认为这些是我们实现智能制造的第一步，也就是信息化辅助生产阶段，我们采用各种硬件、软件帮助我们提高生产效率，针对传统生产模式下，设备单机作业、资源手动配送等对零件加工生产效率的制约，探索一种支持多品种小批量零件柔性化加工的生产运行模式，攻克一批支撑柔性生产线自动运行的关键技术，从人员、设备、物料运输、刀具配送和资源调度等多方面实现传统生产模式向智能生产模式的转变。并且我们还有着强烈的诉求，需要进一步提高生产效率，实现提质，降本，增效的目的。

图2 自动化加工单元模型

那么下一步我们该如何进行？根据前面智能制造的定义，以目前公司面临的市场环境及产品特点，将整个车间改造为数字化车间，短期内难度较大。 但是只对部分设备进行信息化改造，组成一个小单元，作为智能制造的试点、技术验证还是可行的。这也是笔者目前最看好数字化单元，数字化单元可以使一个普通的生产车间迈出智能制造的第一步，探索智能制造的各项底层技术，不断完善各项技术，等单元成熟以后，也可以将做好的各个单元连接起来，成为数字化车间，进而发展成为黑灯工厂，实现智能制造。

自动化加工单元是目前我们正在大力着手 落实的项目，目前有几个项目已经落地，通过这些单元的应用，我们主要实现了以下几方面突破：在管控方式上，实现线内自动排产、生产资源自动匹配；在物流方式上，实现AGV 自动配送、程序自动下载和线外集中装夹；在过程控制上，实现探头自动找正、测量，加工程序的自动调用、补偿尺寸的自动测量、刀具的自动识别和测量。基于零点定位原理开发 快速装夹技术，应用于自动化生产线的建设，实现零件快速装夹、精确定位，提高自动化生产单元工装零部件在数控加 床加工平台上的快速定位，配合自动上下料机构，单个零件换产机床等待时间缩短了80%。

当然，自动化加工单元在应用过程中也发现了一些问题，需要进一步改进，同时为今后其他新的自动化加工单元及智能工厂排查关键技术，并逐步解决。目前存在的主要问题有：其一，生产管控系统开发不统一，生产管控系统可以实现自动化生产线资源的协同配置，通过自动排程系统，为线内数控机床自动分发生产任务，实现生产线内资源，任务的合理调度，控制机床的自动启停、程序运行实现线内零部件的自动加工，对数控机床加工状态进行监控，是智能制造的最核心技术之一。目前车间的管控系统都是各个自动化加工单元厂商自行开发的，存在管控系统与上层MES和底层硬件系统间数据异构、通讯协议不一、信息交互闭塞等问题，如果想避免上述问题，管控系统开发必须统一进行。其二，快换夹具、在线检测、物流自动化调度及配送等工艺支撑技术还不能满足自动化加工需求。这些都是自动化加工的核心底层技术，不能突破这些技术，自动化加工就是无根之木，这些关键技术每一项都需要不断积累，每一项都需要根据自己产品特点不断完善，这些才是支撑智能制造的底层技术，是我们努力的方向。

这就是我们智能制造“三步走”战略的第二步，自动化加工单元，也是最关键的一步。

至于智能制造的第三步是智能车间，我认为在实现自动化加工单元的基础上，完善管控软件，快换夹具，在线检测，自动物流等底层技术的基础上，其需要从更高的层次上理解智能制造。我认为智能车间重点要以智能管控中心为核心，以生产线内自动化物流和车间自动化物流为载体，从作业层和管控层出发，协同推进智能化工艺设计、智能化编程仿真、智能化测量检测、智能化生产执行，以满足生产车间智能化工艺管理、智能化生产管理和智能化质量管理要求，推动智能车间 “黑灯作业”场景的实现。其最核心的技术是生产管控，为满足智能车间柔性化、自动化生产制造的要求，促进车间、产线、设备级数据的统一接入，生产数据有序流转，实现了车间零件制造过程与物流过程的协同控制。

图3 “黑灯” 工厂样板

4  智能制造经验总结及未来思考

通过近几年自动化加工的建设，我们有一些经验心得，也有一些存在困惑的地方需要进一步探索，现在就将这些经验总结跟大家交流一下。首先最重要的一点是：其一是智能制造是信息技术与先进制造技术深度融合,一定要结合自身实际情况，采取的各项措施一定要以能成功落地为导向，只有在智能制造各项底层技术完善的情况下才能进一步推进。 智能制造各项底层技术每一个单独列出来都是一门学科，并且很多技术要根据自己产品特点慢慢摸索，需要很长时间的积累。正视智能工厂建设过程中存在的问题，问题逐步解决的过程就是智能工厂搭建的过程。

其二是构建数字化车间不但要有相应的软硬件设施，精益生产作为指导思想一定要贯穿数字化建设的始终，精益生产作为车间管理的重要实践成果，深刻影响着制造业。关注客户价值，消除浪费，柔性生产、标准化作业和可视化管理等精益方法都是实现智能制造的具体措施。两者虽然侧重点不同，精益生产主要强调管理理念与实现方法，智能制造更侧重技术实现，两者是相辅相成，相互协同作用的。

其三，建设智能工厂是如今制造业一个明确、具体的方向，但智能工厂没有一致的概念和标准，每一个建设者都要根据自身实际情况，在实践中不断探索，建设自己的智能工厂。